Nghiên cứu công nghệ gia công bằng tia hạt mài

- BÙI TIẾN SƠN NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ GIA CÔNG BẰNG TIA HẠT MÀI Chuyên ngành:CHẾ TẠO MÁY NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1.TS PHẠM VĂN BỔNG 2.
- TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TIA NƯỚC ÁP SUẤT CAO 14 1.1 Phân loại và định nghĩa 14 1.1.1 Tia nước áp suất cao thuần 15 1.1.2 Tia nước áp suất cao có trộn hạt mài 16 a.
- Tia nước trộn hạt mài không áp, dạng “Injection” 17 b.
- Tia nước trộn hạt mài có áp, dạng “Supension” 17 1.2 Cơ chế bóc tách vật liệu bằng tia nước áp suất cao 18 1.2.1 Sự hình thành tia nước áp suất cao trong không khí 18 1.2.2 Cơ chế bóc tách vật liệu bằng tia nước áp suất cao thuần 20 1.2.3 Cơ chế bóc tách vật liệu bằng tia nước áp suất cao có trộn hạt mài 21 1.3 Một số ứng dụng khác của phương pháp gia công bằng tia nước áp suất cao 23 1.3.1 Khoan lỗ bằng tia hạt mài 23 a.
- Phân loại các phương pháp khoan bằng tia hạt mài 24 b.
- Một số quy trình công nghệ cơ bản khi khoan có hạt mài 25 c.
- Các thông số hệ thống ảnh hưởng đến kết quả khoan 29 3 d.
- Ảnh hưởng các thông số hình học của vòi phun lên khả năng khoan của tia có hạt mài 31 1.3.2 Mài mặt phẳng bằng tia hạt mài 33 a.
- Phương pháp mài mặt phẳng bằng tia hạt mài 34 b.
- Thông số bề mặt trong không gian hai và ba chiều 35 c.
- Thí nghiệm mài mặt phẳng bằng tia hạt mài 36 d.
- Các số đo bề mặt 38 e.
- Phương pháp nghiên cứu bề mặt, kết quả thí nghiệm 39 1.4 Kết luận 41 Chương 2.
- HẠT MÀI VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐKHI GIA CÔNG BẰNG TIA NƯỚC ÁP SUẤT CAO TRỘN HẠT MÀI 42 2.1.
- Hạt mài 42 2.1.1 Phân loại hạt mài 42 a.
- Nhóm hạt mài tự nhiên 42 b.
- Nhóm hạt mài nhân tạo 45 c.
- Xác định đặc điểm chung của hạt mài được sử dụng trong công nghệ cắt bằng TNASC 46 2.2 Ảnh hưởng của một số thông số khi gia công bằng tia nước áp suất cao trộn hạt mài 52 2.2.1 Ảnh hưởng của thông số thiết bị 52 2.2.2 Ảnh hưởng của thông số công nghệ lên kết quả cắt 54 a.
- Ảnh hưởng của áp lực cắt 54 b.
- Ảnh hưởng của khoảng cách 55 c.
- Ảnh hưởng của lưu lượng hạt mài 56 d.
- Ảnh hưởng của kích thước hạt mài 61 e.
- Ảnh hưởng của loại hạt mài 65 f.
- Ảnh hưởng của luồng không khí bổ sung 68 4 g.
- Ảnh hưởng của vận tốc cắt 69 2.3 Kết luận 73 Chương 3.
- NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ XỬ LÝ KẾT QUẢ 75 3.1 Sơ đồ quy hoạch thực nghiệm 76 3.2 Phương pháp tiến hành và số liệu thực nghiệm 76 3.2.1 Tìm hiểu về trang bị phục vụ thí nghiệm 76 a.
- Máy thí nghiệm 76 b.
- Phôi thí nghiệm 77 3.2.2 Quá trình tiến hành thí nghiệm 78 3.2.3 Số liệu thí nghiệm 79 3.3 Xử lý số liệu, xử lý thí nghiệm và biện luận kết quả 81 3.3.1 Xử lý bước đầu 81 3.3.2 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm 81 3.3.3 Xử lý kết quả thí nghiệm với thép C45 thường hóa 81 3.4 Kết luận 86 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 87 1.
- Tác giả bày tỏ lòng biết ơn các thầy cô trong bộ môn Công nghệ Chế tạo máy, viện Cơ khí trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
- Tác giả BÙI TIẾN SƠN 7 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Ký hiệu Ý nghĩa 1 TNASC Tia nước áp suất cao 2 WJ Pure Waterjet 3 AWJ Abrasive Waterjet 4 AWIJ Abrasive Water Injection Jet 5 AWSJ Abrasive Water Suspension Jet 6 mp Trọng lượng phần tử của hạt 7 vp Tốc độ của hạt mài 8 σf Ứng suất chảy của vật liệu 9 V Vận tốc của đầu vòi phun 10 Q Lưu lượng hạt mài 11 H Chiều sâu cắt phá hủy 12 P Áp lực cắt 13 m Lưu lượng hạt mài 14 Mo Độ cứng Molh 15 Rz Độ nhám bề mặt 16 t Chiều sâu cắt 17 Đường kính ban đầu của vòi phun 8 DANH MỤC CÁC BẢNG STT Số bảng Nội dung Trang1 Bảng 1.1 Phạm vi ứng dụng tia nước thuần trong gia công vật liệu 14 2 Bảng 1.2 Lĩnh vực ứng dụng tia nước thuần trong gia công vật liệu 15 3 Bảng 1.3 Thông số thí nghiệm trong trường hợp tia nước chịu một dao động lắc quanh trục 24 4 Bảng 1.4 Thông số cho thí nghiệm mài mặt phẳng cho các trường hợp khác 37 5 Bảng 2.1 Một số tiêu chuẩn về kích thước hạt mài 46 6 Bảng 2.2 Tính chất một số loại hạt mài 48 7 Bảng 2.3 Mô tả đặc điểm của một số loại hạt mài được sử dụng trong công nghệ cắt bằng TNASC 48 8 Bảng 2.4 Các thông số kỹ thuật của hạt mài Corindon 51 9 Bảng 2.5 Các thông số kỹ thuật của hạt mài SiC 51 10 Bảng 2.6 Các thông số kỹ thuật của hạt mài Super Granit 52 11 Bảng 2.7 Bảng phân nhóm các cỡ hạt mài 61 12 Bảng 2.8 Bảng phân nhóm kích thước hạt mài 62 13 Bảng 2.9 Thông số thí nghiệm tác động của luồng khí bổ sung 69 14 Bảng 3.1 Bảng kết quả thí nghiệm cắt thử 74 15 Bảng 3.2 Ma trận thực nghiệm 75 16 Bảng 3.3 Bảng tổng hợp số liệu thí nghiệm – thép 45 thường hóa 82 17 Bảng 3.4 Bảng Logarit của các biến thực nghiệm 82 18 Bảng 3.5 Giá trị hồi quy thực nghiệm của phương trình hàm 3.6 84 9 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ TT Số hình Nội dung Trang 1 Hình 1.1 Cây phân loại tia nước áp suất cao 14 2 Hình 1.2 Sơ đồ phương pháp trộn hạt mài không áp 17 3 Hình 1.3 Các vùng phân lớp của tia nước áp suất cao 19 4 Hình 1.4 Các cơ chế bóc tách vật liệu bởi hạt mài 20 5 Hình 1.5 Cơ chế có thể diễn ra trong xói mòn 22 6 Hình 1.6 Cơ cấu bóc tách vật liệu bởi hạt mài 23 7 Hình 1.7 Một số phương pháp khoan dùng tia hạt mài 25 8 Hình 1.8 Ảnh hưởng của tốc độ quay lên hình dạng lỗ 26 9 Hình 1.9 Các dạng dao động của tia trên bề mặt phôi quay tròn 26 10 Hình1.10 Trường hợp khoan đầu đứng yên và có tiết diện vuông 27 11 Hình1.11 Ảnh quỹ đạo của tia hạt xoay trên bề mặt phôi 28 12 Hình 1.12 Tác động của lưu lượng tới tốc độ khoan 29 13 Hình 1.13 Ảnh hưởng của áp lực tới tốc độ khoan 31 14 Hình 1.14 Sơ đồ các loại vòi phun được thí nghiệm trong khi xác định ảnh hưởng của thông số hình học lên khả năng của chúng 32 15 Hình 1.15 Tác động chiều dài đoạn hội tụ của vòi phun lên khả năng gia công của nó 32 16 Hình 1.16 Tác động của miệng vào của lỗ vòi phun lên khả năng gia công của nó 33 17 Hình 1.17 Một số mẫu cơ bản dùng khi mài mặt phẳng.
- 37 18 Hình 1.18 Độ nhám bề mặt khi gia công bằng tia hạt mài với các độ sâu khác nhau.
- 39 10 19 Hình 2.1 Mối quan hệ giữa áp lực tia nước và tốc độ khoan 54 20 Hình 2.2 Tác động của khoảng cách vòi phun tới tốc độ cắt các loại vật liệu khác nhau 55 21 Hình 2.3 Sự ảnh hưởng của lưu lượng hạt mài đến chiều sâu cắt khi gia công thép hợp kim dụng cụ (P18) 57 22 Hình 2.4 Sự thay đổi vùng cắt chất lượng khi thay đổi lưu lượng hạt mài 58 23 Hình 2.5 Ảnh hưởng của lưu lượng hạt mài đến chiều sâu phá hủy 58 24 Hình 2.6 Sự hình thành chiều sâu phá hủy khi thay đổi lưu lượng hạt mài 59 25 Hình 2.7 Ảnh hưởng của lưu lượng hạt mài đến độ nhám bề mặt 60 26 Hình 2.8 Topography của bề mặt vết cắt băng TNASC 61 27 Hình 2.9 Ảnh hưởng của kích thước hạt mài đến chiều sâu phá hủy 64 28 Hình 2.10 Ảnh hưởng của kích thước hạt mài đến độ nhám bề mặt 65 29 Hình 2.11 Ảnh hưởng của độ cứng hạt mài đến chiều sâu cắt chất lượng 67 30 Hình 2.12 Ảnh hưởng của độ cứng hạt mài đến độ nhám bề mặt 68 31 Hình 2.13 Tác dụng của áp lực đến hình giạng hình học của rãnh cắt 71 32 Hình 2.14 Tác động của tốc độ dịch chuyển vòi phun lên chất lượng bề mặt 71 33 Hình 2.15 Tác động của tốc độ di chuyển lên hình dạng rãnh cắt 73 34 Hình 3.1 Sơ đồ quy hoạch thực nghiệm 75 35 Hình 3.2 Mẫu thí nghiệm chuẩn bị cắt đo chiều sâu 77 36 Hình 3.3 Hình ảnh gá đặt mẫu thí nghiệm trong quá trình cắt 78 37 Hình 3.4 Ảnh chụp tổng quan lòng vòi phun sau khi sử dụng 79 38 Hình 3.5 Ảnh chụp vòi phun tại điểm Hình 3.6 Ảnh chụp vòi phun tại điểm 2 80 40 Hình 3.7 Ảnh chụp vòi phun tại điểm 3 80 41 Hình 3.8 Ảnh chụp vòi phun tại điểm 4 80 42 Hình 3.9 Ảnh chụp vòi phun tại điểm 5 81 43 Hình 3.10 Xử lý trên Maple14 83 44 Hình 3.11 Quan hệ giữa H với các thống số của chế độ cắt V, Q 85 12 MỞ ĐẦU Đề tài:“Nghiên cứu công nghệ gia công bằng tia hạt mài” Tác giả luận văn: Bùi Tiến Sơn Khóa: CB2009 Người hướng dẫn: Hướng dẫn chính: TS Phạm Văn Bổng Hướng dẫn phụ: GS.TS Trần Văn Địch a, Lý do chọn đề tài: Ngày nay, các phương pháp gia công phi truyền thống (non-conventional) ngày càng được sử dụng rộng rãi, đặc biệt là các phương pháp gia công bằng tia nước áp suất cao, tia lazer,… Với nhiều ưu điểm khác biệt so với các phương pháp truyền thống như: tốc độ cao, gia công tương đối dễ dàng các loại vật liệu độ cứng cao như Inox, thép hợp kim, không gây biến dạng nhiệt vùng gia công, tiết kiệm vật liệu… các phương pháp này ngày càng được sử dụng rộng rãi.
- Tuy nhiên, các kết quả nghiên cứu về công nghệ gia công bằng tia nước áp suất cao trộn hạt mài còn khiêm tốn.
- Việc nghiên cứu các thông số công nghệ của phương pháp gia công bằng tia nước áp suất cao có ý nghĩa lớn vì nó giúp cho người kỹ thuật tiết kiệm thời gian, hạt mài, giảm chi phí gia công, từ đó giúp giảm giá thành là hết sức cần thiết.
- Được sự đồng ý của Viện Cơ khí trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, tác giả đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu công nghệ gia công bằng tia hạt mài” với mong muốn đóng góp thêm kết quả vào nghiên cứu lĩnh vực trên.
- b, Lịch sử nghiên cứu Đã có một số công trình nghiên cứu về lĩnh vực gia công bằng TNASC như.
- Công nghệ gia công bằng tia áp lực cao – Chu Ngọc Chiểu - Nghiên cứu ảnh hưởng của hạt mài đến chất lượng gia công thép hợp kim dụng cụ bằng tia nước áp suất cao – Bùi Tiến Đạt 13 c,Mục đính nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan về công nghệ gia công bằng tia nước áp suất cao, đặc biệt là phương pháp gia công bằng tia nước trộn hạt mài.
- Nghiên cứu tổng quan về các loại hạt mài trong nước, ngoài nước và ảnh hưởng của chúng đến chất lượng gia công.
- Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của lưu lượng cấp hạt mài và tốc độ cắt đến chiều sâu cắt khi gia công thép C45.
- Kiểm chứng khả năng cắt của một số loại hạt mài trong nước.
- Xác định được công thức thực nghiệm khi gia công bằng tia nước có hạt mài Super Garnet trong điều kiện giới hạn thí nghiệm.
- e, Phương pháp nghiên cứu.
- Xác định các thông số ảnh hưởng đến khả năng cắt của tia nước trộn hạt mài, từ đó giới hạn điều kiện thí nghiệm, lựa chọn các loại hạt mài thí nghiệm, lựa chọn vật liệu cắt thí nghiệm.
- Thí nghiệm thực hiện theo trình tự, khoa học và trung thực.
- TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TIA NƯỚC ÁP SUẤT CAO 1.1 Phân loại và định nghĩa Căn cứ vào nguyên lý tạo thành tia, tia nước áp suất cao – Waterjetting được chia thành hai loại tia.
- Tia nước áp suất cao thuần – Pure waterjet – WJ - Tia nước áp trộn hạt mài – Abrasive waterjet – AWJ Căn cứ theo phương pháp trộn, tia nước có trộn hạt mài được chia thành 2 loại sau.
- Tia nước trộn hạt mài không áp – Abrasive Water Injection Jet – AWIJ - Tia nước trộn hạt mài có áp – Abrasive Water Supspension Jet – AWIJ Hình 1.1 Cây phân loại tia nước áp suất cao Qua sơ đồ ta có thể so sánh được sơ bộ ưu nhược điểm của từng phương pháp công nghệ gia công bằng tia nước áp suất cao theo bảng sau: Bảng 1.1 Phạm vi ứng dụng tia nước thuần trong gia công vật liệu Tính năng Tia nước áp suất cao thuần Tia nước trộn hạt mài không áp Tia nước trộn hạt mài có áp Khả năng công nghệ Cắt, khoan, tiện, bóc tách, làm sạch Nhiệt cắt Nhiệt cắt nhỏ, hầu như không ảnh hưởng đến cấu trúc, tính chất cơ lý của vật liệu.
- 15 Phương cắt Phương gia công trên mọi hướng, đều, sắc Vật liệu gia công Vật liệu “mềm” Vật liệu thép, ceramic Chiều rộng vết cắt > 0,1 mm > 0,4mm > 0,3mm Chiểu sâu vết cắt có thể đạt được VD: PVC 20mm VD: Thép 120mm VD: Thép 300mm Dụng cụ (vòi phun) Môi trường làm việc Thích nghi với nhiều môi trường khác nhau như: không khí, dưới nước, môi trường dễ cháy nổ Lực cắt 15N – 250N Phạm vi ảnh hưởng gia công Không cần kính hội tụ Tái sử dụng vật liệu Nước Nước + hạt mài 1.1.1 Tia nước áp suất cao thuần Tia nước áp suất cao thuần là tia nước được hình thành bằng dòng nước thuần túy.
- Tia nước áp suất cao được ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau tùy theo dải áp suất của dòng nước.
- Với dải áp suất từ bar, ứng dụng chủ yếu trong lĩnh vực làm sạch công nghiệp bar ứng dụng cắt các vật liệu “mềm” như PVC, giấy gỗ, vải.
- bar ứng dụng cắt các loại vật liệu cứng như kim loại, ceramic,… Cụ thể: Bảng 1.2 Lĩnh vực ứng dụng tia nước thuần trong gia công vật liệu Áp suất Lĩnh vực ứng dụng bar Cắt, phá bê tông.
- cắt các vật liệu “mềm” trong công nghiệp hóa chất bar Cắt nhựa PVC, giấy, gỗ, vải và Composit.
- giải phẫu trong y tế bar Cắt kim loại, hợp kim cứng, ceramic ở các độ mỏng khác nhau bar Nghiên cứu trong phòng thí nghiệm 16 1.1.2 Tia nước áp suất cao trộn hạt mài Tia nước áp suất cao thuần tuy mang nhiều ưu điểm so với các phương pháp gia công truyền thống nhưng cũng có nhiều hạn chế khi phải tạo ra áp suất quá cao để gia công.
- Để mở rộng khả năng công nghệ của tia nước, đề xuất bổ sung hạt mài vào tia nước đã được thực hiện.
- Hạt mài với cấu trúc hạt nhỏ, cứng và nhiều cạnh sắc, được trộn lẫn vào tia nước do đó sẽ được tia nước truyền cho năng lượng dưới dạng động năng.
- Những hạt mài mang năng lượng (động năng) lớn giống như dụng cụ cắt nhiều lưỡi sẽ là tác nhân chính của quá trình gia công cắt gọt vật liệu.
- Tất nhiên cùng với việc bổ xung hạt mài thì hệ thống thiết bị gia công cũng sẽ phức tạp hơn, giá thành thiết bị cũng cao hơn nhưng những ưu điểm mà phương pháp mang lại thật sự hết sức đáng chú ý.
- Bề mặt được gia công bằng tia nước có hạt mài không có vết xước như bề mặt đã được gia công bằng các phương pháp khác (các phương pháp gia công có tạo phoi).
- Gia công bằng tia nước áp suất cao có hạt mài là phương pháp gia công nguội và bề mặt khi gia công có một lớp mỏng có độ cứng, độ bền và độ giòn cao hơn lớp kim loại bên trong.
- Chi tiết được gia công bằng phương pháp này cho phép nâng cao tuổi thọ phục vụ khi tải trọng hấp thụ được giữ nguyên hoặc tăng khả năng hấp thụ tải trọng trong khi tuổi thọ phục vụ được giữ nguyên.
- Tất cả các quá trình gia công cơ đều làm tăng nhiệt độ ở vùng cắt và chi tiết gia công, đồng thời làm cho bề mặt gia công bị biến dạng dẻo, trong khi đó gia công bằng tia hạt mài hầu như không làm thay đổi nhiệt độ của chi tiết gia công.
- Gia công bằng tia hạt mài có hiệu quả đối với các chi tiết có hình dạng phức tạp bởi vì thời gian gia công giảm, phương pháp này cho phép thực hiện việc cơ khí hóa quá trình gia công bề mặt và cải thiện điều kiện lao động.
- Phương pháp này có thể ứng dụng trong sản xuất hàng loạt theo dây chuyền hoặc sản xuất nhỏ trong các phân xưởng cơ khí.
- Bề mặt trước khi gia công bằng tia hạt mài cần được tẩy sạch bụi, phoi, dầu nhờn, axit và các tạp chất khác.

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt